CN111135701B - 一种适用于南海冷涡区的人工上升流固碳装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于南海冷涡区的人工上升流固碳装置及方法，包括：浮台、硬质涌升管、软质涌升管、伸缩调节机构、注气装置，所述硬质涌升管的上端固定在浮台上，下端连接软质涌升管，所述软质涌升管的下端安装有用于采集确认冷涡作用区域和盐跃层的温盐深传感器，并通过伸缩调节机构调节伸缩长度；注气装置给硬质涌升管内注气。该技术所用装置通过向涌升管注气产生的上升气泡群产生压差以带动底部水体上升、进而补充上层海水营养盐浓度。本装置和方法有望在南海冷涡区高效提升下层海水，为真光层微藻提供充足的营养盐资源，进而实现在该区域开展有效固碳。

Description

一种适用于南海冷涡区的人工上升流固碳装置及方法

技术领域

本发明实施例涉及基于人工上升流的固碳技术能耗节省领域，尤其涉及一种适用于南海冷涡区的人工上升流固碳装置及方法。

背景技术

近年来，全球气候变暖问题引发了人们的广泛关注，而缓解气候变暖的关键在于减少二氧化碳排放量。在该背景下，海洋微藻固碳技术因其科学性、经济性等优点引起了多领域的研究与讨论。利用微藻的光合作用，人类可实现低成本、高效率地将大气中过多的二氧化碳以生物能的形式储存在微藻体内，且被储存的生物能可在后续生物链中被进一步利用。因此，微藻固碳技术在节能减排方面有着重要意义与潜能。

微藻生长对水体环境有一定的要求。研究表明，微藻的大量繁殖需要充足的磷酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐等营养盐作为基础，倘若海水真光层营养盐无法及时补充，微藻生长将受阻、固碳的效果将大幅下降；此外，虽然海洋面积广阔，但是并非每一片海域都符合微藻生长的营养盐含量要求，如中国南海西部的真光层便属于平均含盐量较低的区域。因此，欲实现有效的海洋微藻固碳，还需利用科技手段解决海水真光层营养盐补充问题。

目前较流行的解决办法是利用人工上升流装置、通过水下注气产生的气泡群带动周围海水上升，进而将把底部富营养盐海水输送到海面的真光层，促进浮游植物和藻类生长。目前该技术已在国内外有一定的研究进展，如日本团队研究的水泵式和“永久盐泉”温盐泵式人工上升流、美国团队研究的波浪泵式人工上升流、挪威团队研究的气幕式人工上升流、中国台湾团队研究的气举式人工上升流和我国团队研究的柔性的气举上升流装置等。以中国南海海域为例，南海海盆区有丰富的营养盐资源，但接近海表的真光层营养盐比较匮乏；为了满足大量微藻生长所需营养盐浓度，人工上升流装置需要能将300 m深处的海水提升至距海表10-20 m处，这对装置的结构、能耗及工作的效率等都提出了较高的要求，难以满足可行性和经济性需求。

而中国南海及周边海域开展的研究表明，受到日本暖流、盛行季候风、热带气旋等影响，该海域全年皆有大尺度冷涡间歇性形成、且一般会稳定持续2周左右。通过上升流和夹带作用，冷涡在带动水体流动的同时可抬升下层高营养盐浓度的海水，为微藻大量爆发提供基础养分。数据采集观测结果表明，在冷涡作用区、尤其是冷涡中心处，海水表层的磷酸盐、硝酸盐等营养盐含量及叶绿素含量都明显高于平均水平，即冷涡对营养盐的提升作用确实为微藻生长提供了有利条件。厦门大学通过数据采集发现，在夏季西南季风作用下所产生的冷涡可将营养盐跃层从60-100 m抬升至30 m附近、将叶绿素最大层从50-80 m抬升至20-30 m；国立中山大学YUH-LING LEE CHE等人观察发现，由于受到日本暖流汇入所产生的冷涡影响，即使在平均营养盐浓度比较匮乏的无季风期，该海域冷涡区表层的硝酸盐浓度和叶绿素浓度比南海海盆区的最大记录浓度还要高。

上述研究表明：借助南海冷涡区特性的人工上升流固碳技术有望以高效节能的方式在南海冷涡区实现提升海表营养盐浓度、促进微藻团生长进而保证海洋固碳效率与效果。

发明内容

针对目前用于固碳的人工上升流装置结构尺寸大、能耗高、布放难等缺点，结合南海冷涡区的自然优势，本发明实施例提供一种适用于南海冷涡区的人工上升流固碳装置及方法。

本发明所解决技术问题采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种适用于南海冷涡区的人工上升流固碳装置，包括：浮台、硬质涌升管、软质涌升管、伸缩调节机构、注气装置，所述硬质涌升管的上端固定在浮台上，靠上端处有单向阀，下端连接软质涌升管，所述软质涌升管的下端安装有用于采集确认冷涡作用区域和盐跃层的温盐深传感器，并通过伸缩调节机构调节伸缩长度；注气装置给硬质涌升管内注气。

作为优选，所述浮台采用浮力材料。

作为优选，所述硬质涌升管采用PVC管道材料。

作为优选，所述软质涌升管由套在钢结构圆环外的帆布构成。

作为优选，所述伸缩调节机构包括伸缩绳控制电机和伸缩绳，伸缩绳的一端与伸缩绳控制电机的转轴相连，另一端连接到软质涌升管的下端。

作为优选，所述注气装置包括注气机。

作为优选，所述注气机通过导气管连接硬质涌升管。

作为优选，还包括控制器，所述控制器上连接有数据采集卡、伸缩绳控制电机、注气机，所述数据采集卡与温盐深传感器相连。

作为优选，所述还包括配重，所述配重与软质涌升管下端相连，所述浮台周边连接有若干锚链。

第二方面，本发明实施例还提供一种适用于南海冷涡区的人工上升流固碳方法，该方法在第一方面所述的一种适用于南海冷涡区的人工上升流固碳装置中实现，该方法包括以下步骤：

（1）水平移动适用于南海冷涡区的人工上升流固碳装置，并用温盐深传感器读取传感器海水温度以寻找温度较四周最低处，此处即为冷涡中心；

（2）在冷涡中心安置好适用于南海冷涡区的人工上升流固碳装置后，通过伸缩调节机构逐渐拉长软质涌升管长度，同时读取温盐深传感器数据并将盐度-深度数据，可得随软质涌升管下降，测得的盐度-深度曲线斜率从平缓到突增、再到平缓，其中斜率突增段即为盐跃层；将软质涌升管下端固定在盐跃层下界，即可实现在冷涡基础上提升营养盐；

（3）根据温盐深传感器的盐度和深度数据控制注气装置的注气速率，使得涌升管工作区间的海水在气泡带动下有效抬升至真光层以满足微藻生长繁殖所需营养盐。

与现有技术相比，本发明有益效果是：1）本发明通过将人工上升流装置布放在冷涡区，可充分利用冷涡中心上升流的协助抬升海水，节省了硬质涌升管的构造成本；2）本发明通过以冷涡上升流抬升后的盐跃层下界作为软质涌升管下端的下降深度，实现在冷涡中心上升流的抬升基础上低能耗、高效率地带动营养盐含量高的海水上升；3）本发明通过可调节工作长度的软质涌升管结构设计，减小了装置的结构尺寸，方便了装置的整体布放；4）本发明结合温盐深传感器，合理控制注气量，在满足营养盐浓度需求的同时节省能耗。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例一的适用于南海冷涡区的人工上升流固碳装置的示意图；

图2是本发明实施例一中与控制器连接的示意图；

图3是本发明实施例二的适用于南海冷涡区的人工上升流固碳方法的流程图；

图中：浮台1、硬质涌升管2、软质涌升管3、温盐深传感器4、伸缩绳控制电机5、伸缩绳6、注气机7、单向阀8、控制器9、数据采集卡10、导气管11、电源12、配重13、锚链14。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

实施例一：

图1是本发明实施例一 的适用于南海冷涡区的人工上升流固碳装置的示意图；本发明实施例提供一种适用于南海冷涡区的人工上升流固碳装置，包括：浮台1、硬质涌升管2、软质涌升管3、伸缩调节机构、注气装置，所述硬质涌升管2的上端固定在浮台1上，靠上端处有单向阀8，单向阀8可确保被提升水体单向排出至开放海域；下端连接软质涌升管3，硬质涌升管2和软质涌升管3的组合可确保装置气泡运输过程的稳定性、减少海流的影响，同时可减小装置的尺寸、提高布放灵活性。所述软质涌升管3的下端安装有用于采集确认冷涡作用区域和盐跃层的温盐深传感器4，并可通过伸缩调节机构调节软质涌升管3的伸缩长度。温盐深传感器4可用于收集海水温度、盐度、深度信息；通过温度数据可确定冷涡中心；通过盐度-深度数据，可得随软质涌升管3下降的盐度-深度曲线斜率变化情况并据此确认软质涌升管3的伸缩长度。注气装置给硬质涌升管2内注气产生大量气泡，并使得气泡向涌升管下端运动。

通过向涌升管注气产生的上升气泡群产生压差以带动底部水体上升、进而补充上层海水营养盐浓度。装置配备温盐深传感器4，通过传感器数据采集确认冷涡作用区域，并据此调节软质涌升管3长度使其工作在营养盐跃层之下。由于冷涡中心已将营养盐跃层大幅度提升，装置可在此基础上较为轻松地将富含营养盐的海水提升至真光层。由于装置提升海水深度相对较浅，装置的工作能耗较低；且由于装置对硬质涌升管2的长度要求不高、软质涌升管3长度可根据实际情况调节，装置的结构尺寸相对较小、布放灵活。综上所述，本装置有望在南海冷涡区高效提升下层海水，为真光层微藻提供充足的营养盐资源，进而实现在该区域开展有效固碳。

在本申请实施例中，所述浮台1采用浮力材料，为装置整体提供浮力。

在本申请实施例中，所述硬质涌升管2采用PVC管道材料。所述软质涌升管3由套在钢结构圆环外的帆布构成，从而可以自如收放工作长度。

在本申请实施例中，所述伸缩调节机构包括伸缩绳控制电机5和伸缩绳6，伸缩绳6的一端与伸缩绳控制电机5的转轴相连，另一端连接到软质涌升管3的下端。电机转轴可带动伸缩绳收放，进而改变软质涌升管的工作长度。

在本申请实施例中，所述注气装置包括注气机7。所述注气机7通过导气管11连接硬质涌升管2。通过注气机7可将空气通过导气管11运送到硬质涌升管2内，使得涌升管上端内产生由大量气泡群、形成压差为底部水体上升提供动力。

在本申请实施例中，图2是本发明实施例一中与控制器9连接的示意图；为实现软质涌升管3收放和注气速率控制，本发明实施例提供的装置还包括控制器9，所述控制器9上连接有数据采集卡10、伸缩绳控制电机5、注气机7，所述数据采集卡10与温盐深传感器4相连，所述控制器9、注气机7、伸缩绳控制电机5通过电源12供电，电源12可以为蓄电池配上对应的适配器，也可以为太阳能电池板，这里不进行详细赘述，电源为本领域常规手段。控制器可以为单片机。

在本申请实施例中，所述还包括配重13以抵抗洋流影响，所述配重13与软质涌升管3下端相连，用以稳定软质涌升管3下端；所述浮台1周边连接有若干锚链14，用以固定浮台1。

实施例二：

如图3所示，本发明实施例还提供一种适用于南海冷涡区的人工上升流固碳方法，该方法在第一方面所述的一种适用于南海冷涡区的人工上升流固碳装置中实现，该方法包括以下步骤：

（1）水平移动适用于南海冷涡区的人工上升流固碳装置，并用温盐深传感器4读取传感器海水温度t以寻找温度较四周最低处；若t_左≤t₀≤t_右，则t₀处即为冷涡中心；

（2）在冷涡中心（t=t₀处）安置好人工上升流装置后，逐渐拉长软质涌升管3长度，同时读取温盐深传感器4数据并将盐度S-深度H数据储存在控制器9中；通过控制器9分析可得随软质涌升管3下降，测得的盐度S-深度H曲线斜率k从平缓到突增、再到平缓。其中，若k_上层<<k_当前，则k₁= k_当前处为盐跃层上界；继续拉长软质涌升管，若k_上层>>k_当前，则k₂= k_当前处为盐跃层下界；将软质涌升管3下端固定在盐跃层下界（k= k₂处），即可实现在冷涡基础上提升营养盐；

（3）根据温盐深传感器4的盐度S和深度H数据控制注气装置的注气速率，使得涌升管工作区间的海水在气泡带动下有效抬升至真光层以满足微藻生长繁殖所需营养盐；同时合理控制注气速率减少能耗浪费。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多拓展变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于南海冷涡区的人工上升流固碳装置，其特征在于，包括：浮台、硬质涌升管、软质涌升管、伸缩调节机构、注气装置，所述硬质涌升管的上端固定在浮台上，靠上端处有单向阀，下端连接软质涌升管，所述软质涌升管的下端安装有用于采集确认冷涡作用区域和盐跃层的温盐深传感器，并通过伸缩调节机构调节伸缩长度；注气装置给硬质涌升管内注气；

所述伸缩调节机构包括伸缩绳控制电机和伸缩绳，伸缩绳的一端与伸缩绳控制电机的转轴相连，另一端连接到软质涌升管的下端。

2.根据权利要求1所述的适用于南海冷涡区的人工上升流固碳装置，其特征在于，所述浮台采用浮力材料。

3.根据权利要求1所述的适用于南海冷涡区的人工上升流固碳装置，其特征在于，所述硬质涌升管采用PVC管道材料。

4.根据权利要求1所述的适用于南海冷涡区的人工上升流固碳装置，其特征在于，所述软质涌升管由套在钢结构圆环外的帆布构成。

5.根据权利要求4所述的适用于南海冷涡区的人工上升流固碳装置，其特征在于，所述注气装置包括注气机。

6.根据权利要求5所述的适用于南海冷涡区的人工上升流固碳装置，其特征在于，所述注气机通过导气管连接硬质涌升管。

7.根据权利要求5所述的适用于南海冷涡区的人工上升流固碳装置，其特征在于，还包括控制器，所述控制器上连接有数据采集卡、伸缩绳控制电机、注气机，所述数据采集卡与温盐深传感器相连。

8.根据权利要求1所述的适用于南海冷涡区的人工上升流固碳装置，其特征在于，还包括配重，所述配重与软质涌升管下端相连，所述浮台周边连接有若干锚链。

9.一种适用于南海冷涡区的人工上升流固碳方法，其特征在于，该方法在权利要求1-8任一项所述的一种适用于南海冷涡区的人工上升流固碳装置中实现，该方法包括以下步骤：

（1）水平移动适用于南海冷涡区的人工上升流固碳装置，并用温盐深传感器读取传感器海水温度以寻找温度较四周最低处，此处即为冷涡中心；

（2）在冷涡中心安置好适用于南海冷涡区的人工上升流固碳装置后，通过伸缩调节机构逐渐拉长软质涌升管长度，同时读取温盐深传感器数据和盐度-深度数据，可得随软质涌升管下降，测得的盐度-深度曲线斜率从平缓到突增、再到平缓，其中斜率突增段即为盐跃层；将软质涌升管下端固定在盐跃层下界，即可实现在冷涡基础上提升营养盐；

（3）根据温盐深传感器的盐度和深度数据控制注气装置的注气速率，使得涌升管工作区间的海水在气泡带动下有效抬升至真光层以满足微藻生长繁殖所需营养盐。

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